第四章軟件無線電體系結(jié)構(gòu)

軟件無線電基礎(chǔ)任課老師：杜青松信息科學(xué)與工程學(xué)院1第四章

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)2本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)綜述1軟件無線電的系統(tǒng)模型

2軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)3軟件無線電的軟件體系結(jié)構(gòu)5軟件無線電的硬件體系結(jié)構(gòu)43什么是體系結(jié)構(gòu)？4.1體系結(jié)構(gòu)綜述所謂體系結(jié)構(gòu)，是指一個全面、一致的功能、組件、設(shè)計原則的集合，依靠它可以組織、設(shè)計、構(gòu)建一個系統(tǒng)。一個特定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)功能和組成進(jìn)行了區(qū)分，并將這些系統(tǒng)功能分配給相應(yīng)的組件和接口。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性增加，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的作用越來越重要。4軟件無線電體系結(jié)構(gòu)軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)軟件無線電概念的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議等部分。軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是軟件無線電技術(shù)的核心，其設(shè)計必須綜合考慮無線通信的技術(shù)現(xiàn)狀和長遠(yuǎn)發(fā)展，具有融合各個通信標(biāo)準(zhǔn)的能力。4.1體系結(jié)構(gòu)綜述5軟件無線電體系結(jié)構(gòu)廣義上講，軟件無線電的專門技術(shù)和相關(guān)技術(shù)都屬于軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的研究范圍：如：寬帶天線和多頻段射頻模塊技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、材料技術(shù)、高速寬帶模/數(shù)和數(shù)/模變換技術(shù)、抗干擾和保密技術(shù)、軟件設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)、軟硬件之間的接口通信協(xié)議等4.1體系結(jié)構(gòu)綜述6通信系統(tǒng)模型4.2SDR的系統(tǒng)模型傳統(tǒng)無線通信模型

軟件無線電的多頻帶、多模式、多線程、多個性化的特點需要從這個簡單的通信模型上進(jìn)行擴展。7通信系統(tǒng)模型4.2SDR的系統(tǒng)模型RF信道擴展為信道集信源擴展為信源集基本函數(shù)模型

8通信系統(tǒng)模型4.2SDR的系統(tǒng)模型可編程的射頻及信道接入：對多個射頻段和其他可能的信道接入方式進(jìn)行自動接入中頻處理：進(jìn)行濾波、頻率變換、波束形成等處理調(diào)制解調(diào)：包含多種調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)多模式無線電所要求的多種調(diào)制方式9通信系統(tǒng)模型4.2SDR的系統(tǒng)模型信源階段：信源編碼算法、遠(yuǎn)程信息輸入軟件無線電節(jié)點對計算的需求：信道階段：波束形成算法、頻段選擇、調(diào)制方式選擇數(shù)據(jù)格式選擇聯(lián)合控制：管理和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常工作用戶選擇不同的配置，系統(tǒng)對運算的需求有很大不同。10通信系統(tǒng)模型4.2SDR的系統(tǒng)模型一個軟件無線電節(jié)點個性化配置服務(wù)供應(yīng)商軟件無線電基站上傳個性化配置下載其它軟件無線電節(jié)點不能超過系統(tǒng)本身允許的最大限量軟件無線電節(jié)點個性化配置

11SDR系統(tǒng)等效軟件模型4.2SDR的系統(tǒng)模型軟件無線電系統(tǒng)硬件的等效軟件模型

12SDR系統(tǒng)等效軟件模型4.2SDR的系統(tǒng)模型優(yōu)點明確系統(tǒng)頂層的即插即用接口；可以預(yù)測和控制系統(tǒng)的性能；為建立標(biāo)準(zhǔn)定義一個參考模型；為產(chǎn)品演化提供體系結(jié)構(gòu)；特點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的節(jié)點和有向線段可帶有有關(guān)的任何重要特性。這些重要特性構(gòu)成拓?fù)淇臻g的維數(shù)。13軟件無線電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)4.3SDR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一個實際的軟件無線電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如下圖14軟件無線電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)軟件無線電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)主要包括：寬帶天線、射頻前端、變頻、高速ADC和DAC、數(shù)字信號處理，另外還有系統(tǒng)的控制部分。軟件無線電系統(tǒng)的工作是通過軟件硬件的協(xié)調(diào)共同完成的。軟件無線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)。4.3SDR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)15無線電體系結(jié)構(gòu)的演變4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)16無線電體系結(jié)構(gòu)的演變4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)17硬件體系結(jié)構(gòu)的劃分方法一是按照構(gòu)成硬件平臺的物理介質(zhì)劃分；二是按照系統(tǒng)中各功能模塊的連接方式劃分，即各功能模塊如何互聯(lián)，從而組成一個開放的、可擴展的、標(biāo)準(zhǔn)的，同時具有較高數(shù)據(jù)吞吐率的硬件平臺。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)18按物理介質(zhì)區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)按照物理介質(zhì)劃分的SDR硬件體系結(jié)構(gòu)主要分三種：是以通用處理器GPP為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)直接采用PC機和工作站進(jìn)行數(shù)字信號處理；是以DSP為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字信號處理的體系結(jié)構(gòu)；是以FPGA為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字信號處理的體系結(jié)構(gòu)；4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)19按物理介質(zhì)區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)GPP：即通用處理器(GeneralPerposeProcessor)，一般指的是服務(wù)器和桌面計算機用的CPU芯片，如Intel系列CPU；DSP：是指專門為快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器；FPGA：即現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray)。它是作為專用集成電路(ASIC)的一種半定制電路出現(xiàn)的。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)20按物理介質(zhì)區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)基于GPP的體系結(jié)構(gòu)完全采用PC機和工作站完成所有的信號處理工作，這樣的軟件無線電系統(tǒng)也稱為虛擬無線電。優(yōu)點：計算機體系結(jié)構(gòu)的開放性、靈活性、可編程性和人機界面等方面的能力非常強，開發(fā)調(diào)試容易，最接近理想的軟件無線電缺點：通用計算機技術(shù)水平還達(dá)不到理想處理能力，性能比較差，成本相當(dāng)高，實用性不強。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)21按物理介質(zhì)區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)基于DSP的體系結(jié)構(gòu)基于DSP的結(jié)構(gòu)是目前可實現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的通用性、靈活性比較好，開發(fā)調(diào)試比較容易，性能比較好。是立足于當(dāng)前的硬件水平、能夠初步實現(xiàn)軟件無線電思想的一種體系結(jié)構(gòu)。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)22按物理介質(zhì)區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)基于FPGA的體系結(jié)構(gòu)基于FPGA的結(jié)構(gòu)通用性、靈活性好，成本很低，體積和功耗可以很小，性能比較好。在軟件無線電系統(tǒng)中，對于一些復(fù)雜的、通用DSP不能完成的功能，可采用專用處理器和FPGA來實現(xiàn)。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)23按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)在軟件無線電系統(tǒng)中，各功能模塊通過一定的連接方式進(jìn)行互聯(lián)而組成了一個開放的、可擴展的、標(biāo)準(zhǔn)的、具有較高數(shù)據(jù)吞吐率的硬件平臺。按照系統(tǒng)中各功能模塊的連接方式，硬件體系結(jié)構(gòu)可以分為流水式結(jié)構(gòu)、總線式結(jié)構(gòu)、交換式結(jié)構(gòu)、基于計算機和網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)等。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)24按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)流水式結(jié)構(gòu)4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)25流水式結(jié)構(gòu)以流水線形式進(jìn)行互聯(lián)，與無線通信的信號流向一致，因此效率較高。其優(yōu)點如下：時延短、硬件簡單實時性好、處理速率高缺點如下：耦合相當(dāng)緊密，獨立性不高去除或調(diào)整某一模塊，會導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)的改變26若增加中頻帶寬或信道數(shù)，那么現(xiàn)有的數(shù)字下數(shù)變頻也將改變，牽一發(fā)而動全身！在體系結(jié)構(gòu)中各模塊之間的接口都是面向特定對象設(shè)計的，各模塊之間不存在統(tǒng)一和開放性接口標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致接口的通用性和伸縮性變差、不利用技術(shù)的協(xié)同與進(jìn)步，而且?guī)挶容^窄。

27按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)總線式結(jié)構(gòu)4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)寬帶射頻板存儲器板并行DSP板高速A/DD/A板

VME主機板用戶接口板音頻視頻傳真數(shù)據(jù)VME總線多路耦合器高速數(shù)據(jù)總線28各功能通過總線連接、并通過總線交換數(shù)據(jù)及控制命令。總線易成為系統(tǒng)擴展的瓶頸，特別是實時處理性高的地方。因此總線須具備高速率、能進(jìn)行復(fù)雜控制、便于復(fù)雜控制和功能控制。軟件無線電的總線結(jié)構(gòu)特點：支持多處理器系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算量大，要求很高的處理速度，如果采用DSP，則目前單片DSP無法勝任，需多DSP并行處理。29具有帶寬高速的特性為保證大量的數(shù)據(jù)傳輸，軟件無線電具有較高的數(shù)據(jù)傳輸和I/O口吞吐能力，總線傳輸速率超過50Mb/s，支持32-64位的數(shù)據(jù)和總地址線。具有良好的機械和電磁特性總線總能在惡劣的通信環(huán)境下工作，保證一定的通信性能。30需要復(fù)雜的控制機制，如采用分級總線或多總線方式軟件無線電要求通信系統(tǒng)具有較高的通信處理能力，只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮適應(yīng)性，升級換代快的特點。這種結(jié)構(gòu)是軟件無線電設(shè)計的首先方案。工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)化總線有：ISA、EISA、VESA、PCI、VME、PC/104等31按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)交換式結(jié)構(gòu)4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)32該結(jié)構(gòu)采用適配器和交換網(wǎng)為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信能力，各個模塊由相同的DSP組成，模塊之間通過數(shù)據(jù)包來交換數(shù)據(jù)，即功能模塊通過適配器來打包和解包，并通過交換網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。這種體系結(jié)構(gòu)遵循相同的通信接口和協(xié)議，它們之間的耦合性弱。33

這種結(jié)構(gòu)具有效率高、帶寬高以及通用性好的特點，并具有較好的吞吐量和實時性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺點：時延長、硬件復(fù)雜不易實現(xiàn)和成本高由于該結(jié)構(gòu)綜合了總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，符合軟件無線電的特點，因此具有很好的前途。34按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)PC+LAN結(jié)構(gòu)4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)35按連接方式區(qū)分的硬件體系結(jié)構(gòu)PC+LAN結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)由可編程前端和計算機組成?？删幊糖岸税ㄉ?下變頻、ADC/DAC、外圍電路（數(shù)據(jù)總線和控制器）；后者主要由計算機組成，充分利用計算機的數(shù)據(jù)處理能力，是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)36此體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，只需要安裝適配器和相關(guān)軟件即可在現(xiàn)存的計算機上使用，該方案非常經(jīng)濟(jì)；該系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的，因此可以為最近出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和與移動通信結(jié)合的趨勢提供有力的支持，使無線網(wǎng)絡(luò)更容易使容易與計算機網(wǎng)絡(luò)融合；37這種結(jié)構(gòu)的效率高、帶寬高和通用性很好；該系統(tǒng)比DSP－FPGA方案的軟件化程度高、更靈活、更接近理想無線電。目前基于計算機實現(xiàn)軟件無線電還比較困難，該技術(shù)還不夠成熟，所以實現(xiàn)的系統(tǒng)和任務(wù)相比代價偏高，器件體積較大，不便利于應(yīng)用到個人終端中去。38幾種結(jié)構(gòu)性能比較性能結(jié)構(gòu)效率延時帶寬復(fù)雜度伸縮性通用性流水式最高最短窄簡單差差總線式低短寬簡單好好交換式高長寬復(fù)雜好好計算機網(wǎng)絡(luò)式高長寬復(fù)雜好好4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)39SDR中的數(shù)字信號處理器在頂層結(jié)構(gòu)中，一個軟件無線電系統(tǒng)包含四個部分：天線、射頻前端、基帶數(shù)字信號處理器和控制器。其中天線、射頻前端為可編程控制的硬件基帶數(shù)字信號處理器和控制器則由可編程的數(shù)字信號處理器件構(gòu)成，主要包括：GPP、DSP、ASIC和FPGA4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)40SDR中的數(shù)字信號處理器GPP、DSP、ASIC和FPGA的可重編程性和處理能力對比如下圖所示：4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)41信號處理器處理能力的度量1、時鐘速率一般而言，處理器的時鐘速率越快，運算速度就越快。但在比較處理器的運算速率時，除了要比較時鐘速率外，還要注意指令速度與時鐘速率的倍率關(guān)系。（時鐘速率可能等于指令速率，也可能是指令速率的兩到四倍）4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)42信號處理器處理能力的度量2、指令執(zhí)行速度指令執(zhí)行速度以一條指令所需的執(zhí)行時間或每秒鐘執(zhí)行的指令數(shù)目來度量，這兩者互為倒數(shù)，單位分別為ns（納秒）或MIPS（每秒百萬條指令）指令速度并不能表明處理器的真正性能，不同的處理器在單條指令下完成的任務(wù)量是不一樣的（位寬？并行？）。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)43信號處理器處理能力的度量3、操作執(zhí)行速度操作執(zhí)行速度是指每秒鐘執(zhí)行的操作數(shù)目。操作可以分為定點和浮點，其單位有MOPS（每秒百萬次操作）、MFLOPS（每秒百萬次浮點操作）或BOPS（每秒十億次操作）該指標(biāo)與MIPS有一定的聯(lián)系（跟每條指令能完成多少次操作有關(guān)）4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)44信號處理器處理能力的度量4、乘加運算（MAC）執(zhí)行速度MAC執(zhí)行速度是指完成一次乘加運算的時間或每秒鐘執(zhí)行的乘加運算數(shù)量，二者互為倒數(shù)，單位分別為ns（納秒）或MMACS（每秒百萬次乘加運算）對數(shù)字信號處理運算而言，該指標(biāo)比MIPS更科學(xué)一些。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)45信號處理器處理能力的度量5、FFT運算執(zhí)行速度FFT執(zhí)行速度是指完成一次N點FFT運算所需的時間。由于FFT涉及的運算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此FFT運算時間常作為衡量數(shù)字信號處理器芯片運算能力的一個重要指標(biāo)（最科學(xué)的衡量指標(biāo)）。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)46SDR對信號處理能力的需求對于軟件無線電的來講，緊張的資源包括I/O帶寬、存儲器容量和運算處理能力。各個部分由于算法的不同，對于資源的需求有所不同。在設(shè)計初期需要對資源的需求進(jìn)行精確的估計，降低設(shè)計成本和提高系統(tǒng)的性能。在軟件無線電的通用硬件平臺中，選用處理器件的重要指標(biāo)是信號處理能力。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)47例：移動通信基站的處理能力需求估計

系統(tǒng)各部分參數(shù)取值需求估計中頻部分頻帶寬度10MHz(2.5倍采樣)DIF=25000OPSIF濾波器100OPS/Hz

用戶個數(shù)N30/基站基帶部分信道帶寬30kHzDBB=1.5MOPS解調(diào)器50OPS/Hz比特流部分Rb32kbpsDS=3.2MOPSFEC，信令100OPSpb信源部分CELP1.6MOPS/userDS=1.6MOPS/user信令部分SS72MOPS/基站Do=2MOPS合計DSPMOPSD=191MOPS/基站48SDR對信號處理器的要求軟件無線電中信號處理器的選擇通常跟系統(tǒng)中的信號處理算法相關(guān)。軟件無線電系統(tǒng)中信號處理算法的特點如下：1、信號處理算法通常需要執(zhí)行大量的乘累加運行，運算量很大，并且算法的實現(xiàn)都必須實時。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)49SDR對信號處理器的要求2、信號處理算法常具有某些特定模式，比較典型的是數(shù)字濾波器中的連續(xù)移位。3、信號處理算法的大部分處理時間花在執(zhí)行相對小循環(huán)的操作上。4、信號處理要求專門的接口，同時大量的數(shù)據(jù)交換需要有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力。5、信號處理數(shù)值范圍較寬，采用的數(shù)據(jù)格式以浮點形式為佳。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)50SDR對信號處理器的要求因此，軟件無線電對信號處理器的要求如下1、實時的大運算量要求必須具有多個可并行執(zhí)行的功能單元，并對常用的數(shù)字信號處理操作提供直接的硬件加速支持。2、強的實時性決定了數(shù)字信號處理器不能有太多的動態(tài)特征，因此對高速緩存機制、分支預(yù)測機制和終端響應(yīng)機制的選擇或采用具有一定的限制。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)51SDR對信號處理器的要求3、處理器應(yīng)該設(shè)置片內(nèi)存儲器、單周期MAC功能單元和硬件“零開銷循環(huán)”控制機制，以適應(yīng)大量相對小循環(huán)運算的需要。4、處理器應(yīng)該有高的存儲器帶寬、專門的地址計算單元和專用的尋址模式，用來對高效、實時的數(shù)據(jù)訪問提供支持。4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)52三種信號處理器的比較4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)53三種信號處理器的比較4.4SDR系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)54SDR中軟件的地位和作用軟件無線電以軟件方式實現(xiàn)各種空中接口，提供了靈活的無線通信方式，以及靈活的傳輸機制、協(xié)議和應(yīng)用。因此，軟件在SDR中起著核心的作用。SDR的軟件設(shè)計包括：軟件的功能定義、軟件硬件之間的相互關(guān)系和軟件的體系結(jié)構(gòu)。4.5SDR系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)55SDR對軟件的要求計算機互聯(lián)網(wǎng)時代存在著很多的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（即不同物理層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)），這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是如何實現(xiàn)互聯(lián)的呢？TCP/IP協(xié)議的出現(xiàn)屏蔽了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的差異，面向上層提供了統(tǒng)一的服務(wù)接口，從而真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。SDR中軟件也要求屏蔽硬件部分的差異。4.5SDR系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)56SDR對軟件的要求1、SDR中的軟件要求具有良好的開放性，采用模塊化結(jié)構(gòu)。這樣使通信的高級應(yīng)用可以利用現(xiàn)有的低層程序模塊，避免低水平的技術(shù)重復(fù)，提高開發(fā)效率。2、要求軟件可重用。在不同開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的軟件可以應(yīng)用于不同的硬件平臺，軟件具有統(tǒng)一的源代碼并能夠屏蔽硬件平臺和開發(fā)環(huán)境的差異。理想情況下，軟件也可以實現(xiàn)“即插即用”的功能。4.5SDR系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)57主要的軟件體系結(jié)構(gòu)1、硬件特定的軟件體系結(jié)構(gòu)4.5SDR系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)58主要的軟件體系結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的軟件采用處理器自身的